Die Wärmeleitung ist diejenige Art der Wärmeübertragung, bei der die Wärmeenergie nur zwischen unmittelbar benachbarten Teilchen (Molekülen) in festen oder unbewegten flüssigen und gasförmigen Stoffen übergeht. Die Moleküle an wärmern Orten übertragen dabei ihre höhere Geschwindigkeit durch Stöße auf die sich langsamer bewegenden Nachbarmoleküle an kälteren Stellen.
Ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes ist die Wärmeleitzahl (spezifisches Wärmeleitvermögen. Diese Stoffkonstante wird gemessen in W/mK.
Ein Stoff hat die Wärmeleitzahl 1 W/mK, wenn von einer Seitenfläche eines aus diesem Stoff bestehenden Würfels von 1m Kantenlänge zur gegenüberliegenden Seite bei einer zwischen ihnen bestehenden Temperaturdifferenz von 1 Kelvin in 1 Sekunde eine Wärmemenge von 1 Joule fließt.
In diesem Demonstrationsversuch wird die verschieden große Wärmeleitfähigkeit der Stoffe Kupfer und Eisen gezeigt. Zwei Stäbe gleichen Querschnitts aus Kupfer (lCu = 395 W/mK) und Eisen (lFe = 80 W/mK) bilden mit einem Mittelstück aus Kupfer ein T-Stück. Das Mittelstück wird in heißes Wasser eingetaucht und die Wärme auf beide Arme übertragen.
Um die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit sichtbar zu machen, sind die Seitenarme mit Silberquecksilberjodid bestrichen, das bei einer Temperatur von 42° C von einer Gelb- auf eine Rotfärbung umschlägt. Dadurch kann man beobachten, wie schnell eine bestimmte Temperatur (nämlich die des Farbumschlags) in den verschiedenen Materialien fortschreitet.
Der Versuch wird nach Zeichnung aufgebaut. Die Styroporabschirmung wird so an den Seitenarmen angebracht, daß die verstärkten Seiten an das Mittelteil angrenzen.
Das Becherglas wird mit warmem Wasser (ca. 30° C) gefüllt (ca. 900 ml). Die Temperatur-regelung der Heizplatte wird auf 200°C, der Magnetrührer auf 100 UpM eingestellt. Nach etwa 10 min beträgt die Wassertemperatur ungefähr 45° C.
Dann das Mittelteil in das Wasser absenken. Nach knapp 10 min beginnt eine leichte Verfärbung der Seitenarme. Eine deutlichere Rotfärbung ist nach weiteren 5 min sichtbar. Jetzt ist auch schon ein Unterschied der Wärmeleitfähigkeiten zu erkennen, da der Farbumschlag auf der Kupferseite weiter fortgeschritten ist als auf der Eisenseite. Die vollständige Rotfärbung der Kupferseite ist nach etwa einer weiteren halben Stunde erreicht.
Die Seitenarme der Anordnung werden mit der Kamera aufgenommen und auf die Monitore übertragen.
Hinweis: Zur besseren Sichtbarmachung der Farben kann das Gerät mit einer Bogenlampe oder mit einer Videoleuchte angestrahlt werden.
Sollte das Wasser anfangen zu sieden, die Temperaturregelung auf 100° C zurückdrehen.